Praxis

Batterie oder Brennstoffzelle – Kosten des Infrastrukturausbaus im Verkehrssektor

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Brennstoffzellen-Antriebe können dabei helfen, die Klimaschutzziele im Verkehrssektor zeitnah zu realisieren.

Um auch im Verkehrssektor die Klimaschutzziele der Deutschen Bundesregierung erreichen zu können, muss die Fahrzeugflotte weitaus emissionsärmer werden. Im Bereich der Elektromobilität bieten sich dabei Antriebstechnologien auf der Basis von Batterien und Brennstoffzellen an.

Ein Vergleich, den Experten vom Forschungszentrum Jülich angestellt haben, zeigt: Ab mehreren Millionen Fahrzeugen ist der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur günstiger als eine vergleichbare Ladeinfrastruktur für batteriegespeiste Autos.

von: Dr.-Ing. Martin Robinius, Forschungszentrum Jülich

Deutschland hat sich beim Klimaschutz ambitionierte, aber notwendige Ziele gesetzt. Doch gerade im Verkehrssektor liegen wir noch weit hinter den angestrebten Reduktionen zurück. Gelingen könnte diese „Verkehrswende“ z. B. durch den Einsatz von Elektroautos, die ihre Energie aus erneuerbaren Quellen beziehen, sowie durch mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenautos. Elektroautos mit Batterie überzeugen dabei durch einen hohen Wirkungsgrad; Antriebe auf der Basis von Brennstoffzellen punkten dagegen mit einer längeren Reichweite. Wegen der hohen Energiedichte sind Brennstoffzellen-Antriebe in besonderem Maße auch für schwere Lkw, Busse und Züge geeignet. Die beiden Antriebstypen unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer fahrzeugtechnischen Eigenschaften. Bei einem Vergleich der beiden Technologien loht es sich, auch die für den Einsatz erforderliche Infrastruktur ins Auge zu fassen. In beiden Fällen muss diese größtenteils noch geschaffen werden: Batterien müssen regelmäßig über eine Ladesäule aufgeladen werden, Brennstoffzellen hingegen benötigen Wasserstoff von der Tankstelle. Dabei gilt es zu beachten, dass beide Technologien derzeit noch am Anfang ihrer Marktentwicklung stehen. Um nicht in eine technologische Sackgasse zu geraten, ist es von zentraler Bedeutung, die Kosten für die benötigten Infrastrukturen frühzeitig abzuschätzen. Es ist vor diesem Hintergrund nicht empfehlenswert, bereits heute alle Anstrengungen auf eine einzige Technologie zu setzen, da es bei einer Veränderung der Rahmenbedingungen ungleich schwieriger wird, das System umzustellen.

 

 

Auswahl einer Technologie

Viele Experten favorisieren für den Übergang zu emissionsarmen Fahrzeugflotten zurzeit die Batterie, denn das elektrische Netz und insbesondere die Infrastuktur zur Erzeugung existieren bereits. Es müsste bloß eine gewisse Menge an weiteren Ladesäulen aufgestellt werden. Das sieht beim Wasserstoff zumindest derzeit anders aus: So müssen insbesondere die Elektrolyseure, die überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen zur Spaltung von Wasser verwenden, erst noch in großem Stil gebaut werden. Der Wasserstoff, der dabei entsteht, kann zunächst in unterirdischen Salzkavernen gelagert werden, um dann beispielsweise über ein Pipelinesystem oder Lkw-Trailer an die Tankstellen verteilt zu werden. Gleichzeitig kann reiner Wasserstoff bis zu einem gewissen Anteil in das bereits bestehende Erdgasnetz eingespeist werden.

Damit wird auch ein weiterer Unterschied klar: Die Wasserstoff-Infrastruktur dient nicht nur dem Energietransport, die stellt gleichzeitig auch einen riesigen Energiespeicher dar. Wenn die Windräder im Norden Deutschlands auf Hochtouren laufen, erzeugen sie so viel Strom, dass das Stromnetz ihn nicht aufnehmen kann. In Form von Wasserstoff lässt sich diese Energie hingegen über Wochen und Monate speichern, um auch längere Flauten problemlos überbrücken zu können. Hierin unterscheidet sich der brennstoffzellen- vom batteriegespeisten Elektroantrieb, da letzterer beim Laden lediglich auf den Strom zugreift, der zeitgleich ins Stromnetz eingespeist wird.

Trotz der fehlenden Elektrolyseure wäre die Versorgung von Brennstoffzellenautos nicht notwendigerweise teurer, sondern ab einer Anzahl von zehn Millionen Fahrzeuge sogar günstiger. Das Forschungszentrum Jülich hat beide Szenarien in einer Studie, die vom Gemeinschaftsunternehmen H2 MOBILITY beauftragt wurde, analysiert und kommen zu folgendenm Ergebnis: Die Rentabilität hängt davon ab, wie viele Fahrzeuge mit Batterie- oder Brennstoffzellenantrieb auf den Straßen unterwegs sind. Die Investitionen in den Infrastrukturausbau sind für beide Technologien bei geringen Fahrzeugbeständen bis zu einigen Hunderttausend nahezu gleich. Der Wasserstoff könnte in diesem Zeitraum noch von der Industrie aus konventionellen Quellen bereitgestellt werden. Es dürfte dann eine Übergangsphase folgen, während der die Erzeugung und Speicherung von grünem Wasserstoff mithilfe von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Quellen ausgebaut wird. Die Kosten für die dafür notwendigen Elektrolyseure treiben den Preis für den Wasserstoff zwar in die Höhe; gleichzeitig ermöglichen diese es, saisonale Überschüsse der erneuerbaren Energien in Form von Wasserstoff über längere Zeiten zu speichern, was mit der Batterietechnik alleine nicht möglich ist.

 

 

In dieser Phase stellen Elektroautos mit Batterie zwar den günstigeren Pfad dar, langfristig sind sie aber nicht kostenoptimal, und ab mehreren Millionen Fahrzeugen beginnt sich das Verhältnis umzukehren. Die Studie betrachtet eine Marktdurchdringung von bis zu 20 Millionen Fahrzeugen, was knapp der Hälfte des heutigen Bestands entspricht. Um diese Menge an Fahrzeugen zu versorgen, sind Investitionen in die Ladesäulen-Infrastruktur in Höhe von rund 51 Mrd. Euro nötig – für die Bereitstellung der Wasserstoff-Infrastruktur sind hingegen nur 40 Mrd. Euro erforderlich. Die Mobilitätskosten für beide Technologien unterscheiden sich in diesem Stadium hingegen kaum. Sie liegen in beiden Fällen zwischen 4,5 und 4,6 Eurocent pro Kilometer.

 

Doch warum ist die Wasserstoff-Infrastruktur bei einer großen Marktdurchdringung – trotz kostenintensiver Elektrolyseure – günstiger? Der Grund hierfür liegt in der kurzen Betankungszeit der Brennstoffzellenautos; sie liegt bei nur rund drei Minuten. Dadurch kommt es zu einer hohen Auslastung der Wasserstofftankstellen und diese amortisieren sich entsprechend schnell. Vorteilhaft wirkt auch der hohe Durchsatz des Pipelinenetzes, durch das, sobald es einmal installiert ist, große Mengen an Wasserstoff kostengünstig transportiert werden können. Bei einer hohen Zahl von batterieelektrischen Fahrzeugen werden dagegen zusätzliche Investitionen ins Verteilnetz, z. B. Transformatoren und Kabel, nötig. Wegen der langen Standzeiten und der damit verbundenen geringen Auslastung sind zudem entsprechend viele Ladesäulen erforderlich.

 

Fazit

Letztlich sollten wir uns jedoch beide Technologien leisten, um die Energiewende erfolgreich meistern zu können. Batterien und Wasserstoff schließen sich nicht gegenseitig aus, sondern ergänzen sich vielmehr mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen optimal – man denke hier z. B. an Unterschiede bei den Fahrzeugkosten und der Reichweite. Die Gesamtkosten sind in beiden Fällen deutlich geringer als Investitionen in anderen Infrastruktur-Bereichen. Es werden beispielsweise laut Bundesverkehrswegeplan rund 270 Mrd. Euro allein bis 2030 in die Beseitigung von Engpässen auf Hauptachsen und in wichtige Verkehrsknoten investiert, davon ca. 142 Mrd. Euro in den Erhalt der Bestandsnetze. Es ist folglich empfehlenswert, beide Pfade auszubauen – und im Hinblick auf die ambitionierten Klimaschutzziele der Deutschen Bundesregierung kann damit nicht früh genug begonnen werden.

 

Über den Autor

Dr.-Ing. Martin Robinius leitet die Abteilung Verfahrens- und Systemanalyse am Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) des Forschungszentrums Jülich. Seine Forschungstätigkeiten umfassen techno-ökonomische Energiesystemmodellierung, -analyse und -bewertung in den Bereichen Mobilität, Sektorenkopplung und Infrastrukturen sowie stationäre Energiesysteme.

 

Kontakt über:

Tobias Schlößer

Forschungszentrum Jülich

Tel.: 02461 61-4771

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